[논문]진공인터럽터용 신규 접점소재에 대한 차단 성능 평가

차영광; 이일회; 주흥진; 신태용; 박경태

doi:10.4313/jkem.2021.34.1.50

진공인터럽터용 신규 접점소재에 대한 차단 성능 평가
Evaluation of Breaking Performance of New Contact Material for the Vacuum Interrupter 원문보기

전기전자재료학회논문지 = Journal of the Korean institute of electronic material engineers, v.34 no.1, 2021년, pp.50 - 55

차영광 (비츠로이엠 기술연구소) , 이일회 (비츠로이엠 기술연구소) , 주흥진 (비츠로이엠 기술연구소) , 신태용 (비츠로이엠 기술연구소) , 박경태 (한국생산기술연구원 한국희소금속산업기술센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Copper-chromium alloys have been used as contact materials of vacuum interrupters in circuit breakers, but new materials with highly stable performance are required to break the high voltage and high current barrier due to the recent increase in breaking capacity. In this paper, a new contact material was fabricated from a ternary alloy instead of existing Cu-Cr alloys. Its breaking performance and endurance were verified from a synthetic test and compared with that of various contact materials. The test results verified that the breaking performance of the new contact material was excellent.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Various contacts [left: contact#1 (commercial), center: contact#2 (commercial), right: contact#3 (new)].
그림 Fig. 2. Design of cup-type AMF electrode for 25 kA.
표 Table 1. Material properties of various contacts.
표 Table 2. Specification of vacuum interrupter.
그림 Fig. 3. Circuit diagram of synthetic test.
그림 Fig. 4. Simple synthetic test facility.
표 Table 3. Test results of vacuum interrupter.
그림 Fig. 5. Short circuit breaking capability by contact materials (a) phase A, (b) phase B, and (c) phase C.
그림 Fig. 6. Disassembly photograph of test sample (left: phase A, center: phase B, and right: phase C).
표 Table 4. Results of breaking test for each phase.
표 Table 5. Comparison of results before and after test.
그림 Fig. 7. Contact states after short circuit breaking test. (a) phase A (left: movable contact and right: fixed contact), (b) phase B (left: movable contact and right: fixed contact), and (c) phase C (left: movable contact and right: fixed contact).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 목적은 신규접점의 차단 성능을 기존 접점과 비교 평가하는 것으로, 시험의 목표를 차단 전류의 한계 값 및 차단수명(내구성) 확인으로 설정하고 시험을 진행하였다. 시험 방법으로 먼저 차단 전류의 한계 값을 확인한 후, 동일한 차단 전류에서 차단 성공 횟수를 확인하였다.

제안 방법

단품검사가 완료된 진공인터럽터를 12 kV 25 kA용진공차단기에 조립하고 주회로 저항 및 차단기 동작 특성을 확인하였으며, 최종적으로 간이합성 시험 설비에 결선 후 차단 시험을 진행하였다.
5 kV 이상의 대용량에도 적용 가능하나, 차단 시험을 진행할 수 있는 설비의 커패시터 뱅크 용량에 맞춰 정격사양을 결정해야 한다. 따라서 차단기 수급이 용이하며 과도회복전압을 인가할 수 있는 시험 가능한 정격사양인 12 kV, 25 kA 진공인터럽터를 선정하여 설계 및 제작하였다.
시험 방법으로 먼저 차단 전류의 한계 값을 확인한 후, 동일한 차단 전류에서 차단 성공 횟수를 확인하였다. 모든 시험은 2회 연속으로 차단실패가 발생되면 중지하는 것으로 하였으며 시험의 편의를 위해 아킹타임을 약 5~8 ms 정도로 고정하였다. 최종적으로 차단 성능은 에너지만 고려하여 평가하였으며 산출된 에너지는 다음 식과 같다.
특히 전류원은 충전된 값이1/2 cycle마다 10% 정도씩 감소하므로 이를 고려하여 시험 전원을 선택해야 한다. 보통 차단 시험은 차단기의 정격 차단 전류를 기준으로 그 값의 10%, 30%, 60%, 100%에 해당하는 전류의 차단을 검증하는 것이나, 본연구에서는 100% 차단 전류에 대한 검증만 실시하였다.
본 연구에서는 초고압 진공인터럽터에 적용 가능한 신규 접점을 제작하여 차단 성능을 확인하였으며, 기존에 사용되는 접점과 그 성능을 비교하였다.
진행하였다. 시험 방법으로 먼저 차단 전류의 한계 값을 확인한 후, 동일한 차단 전류에서 차단 성공 횟수를 확인하였다. 모든 시험은 2회 연속으로 차단실패가 발생되면 중지하는 것으로 하였으며 시험의 편의를 위해 아킹타임을 약 5~8 ms 정도로 고정하였다.
시험 전후 시험품 상태를 확인하기 위해 주회로 저항 및 진공도 검사를 추가 실시하였으며, 그 결과는 표 5와 같다. 주회로 저항이 약간 상승하였으나 기준 (시험 전후 20% 미만 변화)을 만족하고 있다.
신규 접점소재의 성능을 확인하기 위해 진공인터럽터를 설계하였다. 비록 제작된 접점소재는 72.
접점소재를 적용하였다. 진공인터럽터 제작 후 건전성 확인을 위해 단품검사를 진행하였다. 검사 결과, 모든 VI는 정상으로 확인되었으며, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
진공인터럽터의 차단 성능 검증을 위한 시험은 간이합성 시험 설비를 사용하여 진행하였다. 간이합성 시험 설비는 단락 전류를 생성하는 전류원과 차단 시 극 간에 인가되는 과도 회복 전압을 생성하는 전압 원으로 구성된다.
진공차단기에서 진공인터럽터를 해체하고, 절단하여 접점 표면의 상태를 확인하였다. 모든 진공인터럽터에서 고정접점의 손상이 심하게 나타났는데 이는 확산 진공 아크로부터 형성된 anode spot에 의한 것으로종자계 전극구조에서 주로 관찰된다.

대상 데이터

본 연구에서는 초고압 분야에의 적용 및 고 차단용량을 확보할 수 있는 접점소재를 3원계 합금을 이용하여 제작하였다. 신규접점은 1.
시험은 A상(VI#1), B상(VI#2), C상(VI#3) 순서로 각상별로 진행하였다. 시험 도중 B상(VI#2)에서 잦은 차단 실패가 발생되었고, 진공도 저하가 의심되어 총 10 회만 진행 후 시험을 중단하였다.
시험을 위한 진공차단기는 별도로 제작하는 대신 ㈜ 비츠로이엠에서 보유하고 있는 12 kV 25 kA 제품을 사용하였다. 조작기의 동작특성은 개방시간 23 ms, 개방속도 0.
조작기의 동작특성은 개방시간 23 ms, 개방속도 0.8 m/s, 스트로크 8.5 ms 및 wipe 하중 180 kgf로 선정하였다.
진공인터럽터의 사이즈는 외경 Φ45.5 mm로 하였으며, 전류 차단에서 중요한 역할을 하는 전극부는 cup-type 종자계 형상으로 설계하였다. 이는 접점 개극 시 아크를 접점 전면에 확산시켜 접점의 손상을 최소화할 수 있는 형상으로써, 접점의 차단수명을 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
총 3개의 진공인터럽터를 제작하여 VI#1, VI#2, VI#3이라 명명하였으며 각각 contact#1, contact#2, contact#3 접점소재를 적용하였다. 진공인터럽터 제작 후 건전성 확인을 위해 단품검사를 진행하였다.

성능/효과

9 ton/cm² 성형체 가압력 및 1,000℃ 이상의 소결온도에서 액상소결을 통해 제작되었으며, 현재 초고압용으로 사용되는 접점 소재와 그 물성치를 비교하여 그림 1 및 표 1에 나타내었다. 3가지 접점의 물성치를 비교했을 때, 도전율을 제외한 전체 항목에서 신규 제작된 접점소재가 우수한 것으로 확인되었다.
[11]. 그러나 신규 접점소재는 열적⋅전기적으로 충분한 성능을 보이고 있어 슬릿이 거의 없어진 상태에서도 높은 차단성능을 보이고 있는 것으로 확인되었다.
진행된 시험의 결과를 그림 5 및 표 4에 나타내었다. 시험 결과, 신규 접점 소재를 적용한 C상에서 최대 39 kA까지 전류를 차단하였으며 45회나 차단 성공하였다.
시험 결과를 통해 알 수 있듯이, 신규 접점 소재는 기존 소재에 비해 차단 성능이 크게 향상된 것으로 확인되었으며, 물성치도 도전율을 제외한 모든 부분에서 우수한 특성을 나타내었다. 특히 크롬 입자의 사이즈가 다른 소재들에 비해 큰 차이를 보이고 있어 차단 성능에 영향을 끼치는 주요 요인으로 판단된다.
진행하였다. 시험 도중 B상(VI#2)에서 잦은 차단 실패가 발생되었고, 진공도 저하가 의심되어 총 10 회만 진행 후 시험을 중단하였다. 진행된 시험의 결과를 그림 5 및 표 4에 나타내었다.
신규 접점소재에 대한 차단 성능 시험 결과, 기존 Cu-Cr 접점소재에 비해 우수한 차단용량을 가지고 있음을 확인하였다. 합성 설비의 용량 문제로 12 kV 25 kA의 차단 시험만 진행하였으나, 추후 72.

후속연구

이를 25 kA 정격 차단 전류 및 5 ms의 아킹타임을 기준으로 환산하였을 시, A 상은 약 47회 차단 및 C 상은 약 84회 차단을 한 에너지와 유사한 수준이다. 또한 본 시험은 가혹한 조건에서 2회 연속 차단 실패 시 시험을 종료하였으므로 실제 25 kA 차단 시험을 진행하는 경우에는 이를 훨씬 상회하는 결과를 보일 것으로 추정하고 있다.
특히 크롬 입자의 사이즈가 다른 소재들에 비해 큰 차이를 보이고 있어 차단 성능에 영향을 끼치는 주요 요인으로 판단된다. 또한 전류 컨디셔닝 등을 통해 크롬입자를 미세화시킨다면 진공인터럽터의 내전압성능 향상 및 차단 성능을 극대화시킬 수 있을 것이다.
확인하였다. 합성 설비의 용량 문제로 12 kV 25 kA의 차단 시험만 진행하였으나, 추후 72.5 kV 이상급 제품에서도 동일한 시험검증이 이루어진다면, 긴 아킹타임을 요구하는 초고압 진공인터럽터에도 신규 접점 소재의 적용이 가능할 것으로 판단한다.

참고문헌 (11)

S. K. Choi, C. W. Gu, and H. J. Ju, J. Korean Inst. Electr. Electron. Mater. Eng., 28, 630 (2015). [DOI: https://doi.org/10.4313/jkem.2015.28.10.630]

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Z. Yang et al., Proc. 2019 5th International Conference on Electric Power Equipment - Switching Technology (ICEPE-ST) (IEEE, Kitakyushu, Japan, 2019) p. 201. [DOI: https://doi.org/10.1109/icepe-st47645.2019]
K. Golde, V. Hinrichsen, D. Gentsch, A. Lawall, and E. D. Taylor, Proc. 2016 27th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV) (IEEE, Suzhou, China, 2016) p. 533. [DOI: https://doi.org/10.1109/deiv.2016.7763970]
L. T. Falkingham and W. Molan, Proc. 2014 International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV) (IEEE, Mumbai, India, 2014) p. 125. [DOI: https://doi.org/10.1109/deiv.2014.6961635]
C. Wolf, M. Kurrat, M. Lindmayer, and D. Gentsch, IEEE Trans. Plasma Sci., 39, 1284 (2011). [DOI: https://doi.org/10.1109/tps.2011.2135379]

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P. Li, X. Wang, X. Yao, L. Gang, S. S. Zhang, and Z. Liu, Proc. 2018 28th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV) (IEEE, Greifswald, Germany, 2018) p. 607. [DOI: https://doi.org/10.1109/DEIV.2018.8537096]
D. Gentsch and K. Gorlt, Proc. 2018 28th International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV) (IEEE, Greifswald, Germany, 2018) p. 595. [DOI: https://doi.org/10.1109/deiv.2018.8537136]
X. Godeshot, S. Chakraborty, A. Girodet, and P. Vinson, Proc. 2014 International Symposium on Discharges and Electrical Insulation in Vacuum (ISDEIV) (IEEE, Mumbai, India, 2014) p. 125. [DOI: https://doi.org/10.1109/deiv.2014.6961708]
C. W. Gu, Ph.D. Thesis, pp. 78-87, Hanyang University, Seoul (2015).
P. G. Slade, The Vacuum Interrupter: Theory, Design, and Application (CRC Press, New York, 2008) p. 149. [DOI: https://doi.org/10.1201/9781315221618]
H. Fink, M. Heimbach, and W. Shang, IEEE Trans. Plasma Sci., 29, 738 (2001). [DOI: https://doi.org/10.1109/27.964466]

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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